汽车排放分析系统中NOX转换效率的计算分析

汽车排放分析系统中NOX转换效率的计算分析

摘要：本文介绍了汽车排放气体分析系统中氮氧化物分析仪的工作原理，并对汽车排放气体分析系统中氮氧化物的转换效率如何计算进行了详细分析；上述内容对汽车尾气排放试验人员有一定参考价值。

关键词：汽车排放分析系统；氮氧化物的转换效率；计算分析

前言

氮氧化物NOX是汽车尾气排放的主要污染物之一，所带来的环境效应多种多样，它是酸雨的成因之一，可导致地表水的酸化，大气能见度降低，增加水体中有害于鱼类和其他水生生物的毒素含量等。因此检测分析汽车尾气中氮氧化物的含量对环境污染控制具有重要意义。氮氧化物NOX包括NO2和NO，由于NOX分析仪不能直接检测出NO2的含量，需将NO2转换为NO才能进行检测，该转换过程由NOX转换器完成（NOX的转换效率指的是将NO2转换为NO的转换效率）。NOX的转换效率直接影响NOX的测量结果，因此为确保NOX分析仪检测数据的准确可靠，应定期检查转换效率是否符合要求。

1.NOX分析仪

1.1 化学发光法的原理

基态下的NO2不具有发光性，不能被化学发光法检测出来，但化学发光法可以检测出NO，因此须将NO2通过转换器转换为NO。

化学发光法的原理如下：

NO和O3发生化学反应产生激发态的NO2，大约有10%的NO2处于激发状态。当激发态的NO2*返回到基态NO2时，将产生波长为600—2400nm，中心波长为900nm的近红外荧光，其中一份光子的能量为hv。在一定的压力和温度条件下，荧光强度（或光子能量）只与反应前的NO的浓度成正比。利用光电倍增管吸收光子产生光电流，光电流强度与NO的浓度成线性，可通过光电强度测得NO的浓度。

1.2 NOX转换器原理

NOX转换器效率装置简图如图1所示，NO和O2进入气路系统，将流量电

磁阀控制开关置于闭合状态，自耦变压器产生高压使臭氧发生器工作，产生化学反应：生成的O3与NO再进入分析仪进行分析。NOX转换器效率装置本质上是提供了一个外置的臭氧发生器。

图1 NOX转换器效率装置简图[1]

氮氧化物(NOX)转换是将NO2转换为NO，其原理[5]是在转换器外部通过加热器加热，使转换器内部温度达到气体与转换器内转换介质催化物质工作条件，样气从转换器一端进入，在转换器内通过吸附作用将NO2转换为成分稳定的NO，催化剂不参与化学反应。

（4）

1.3 NOX分析仪原理

将样气和用于臭氧发生器产生臭氧的外界空气同时送入气路系统，发生光化学反应。反应中产生的荧光强度由光电倍增管探测，将NOX分析仪置于NO测量模式，使未经过NOX转换器的样气直接进入分析仪，测得NO的浓度[4]。

NOX分析仪置于NOX测量模式，样气（样气中的NOX包括NO和NO2）进入NOX转换器，其中NO2被转换成NO，再和样气中原有的NO一起与臭氧反应，这时光电倍增管探测到的应当是NOX的浓度。

由NOX的浓度减去NO的浓度就可得到NO2的浓度。

2.NOX转换效率的计算分析

2.1 NOX转换效率检查各步骤的浓度分析及计算公式推导

在进行氮氧化物(NOX)转换效率检查时，标准气体由定容取样系统采集取样，经稀释空气进行稀释，再进入NOX分析仪进行分析。

NOX转换效率检查步骤的4种工作模式如表1。

表1 NOX转换效率检查步骤

Step NO O3-gen

O2 flow MODE

1 a OFF ON NO

2 b ON ON NO

3 c ON ON NOX

4 d OFF ON NOX

设标准气体中NO的含量为x，NO2的含量为y，注入稀释空气的量为s。

工作模式1：NOX分析仪在NO测量模式，臭氧发生器不发生作用，NOX 转换器不工作。标准气体中NO的浓度为：

工作模式2：NOX分析仪在NO测量模式，臭氧发生器发生作用产生臭氧并与NO发生化学反应：，NOX转换器不工作。设与臭氧发生化学反应的NO 的量为n，则剩余气体中NO的浓度为：

工作模式3：NOX分析仪在NOX测量模式，臭氧发生器发生作用产生臭氧并与NO发生化学反应，NOX转换器工作。标准气体经过转换器，设转换效率为，则此时标准气体中NO的浓度为：

工作模式4：NOX分析仪在NOX测量模式，臭氧发生器不发生作用，NOX 转换器工作。此时标准气体中NO的浓度为：

由此可以导出：，

上面两式可解得：

2.2 NOX转换效率检查实例

应用日本HORIBA公司的GDC-703对NOX转换器进行转换效率检查，该分析仪的量程为50ppm，将浓度为43.80ppm的NOx标准气体经由稀释通道通入分析仪，其试验数据如表2，试验结果如表3。

表2 NOX转换效率试验数据

Target Conc.

NO 43.2977

a >=38.96 40. 3681

b 6.4947 7.7309

c 40.6890

d 41.1212

NOX <=45.46 44.0390

表3 NOX转换效率检查结果

% Status

Eff 98.68 Pass

NO2 in NO 1.71 Pass

根据公式计算转换效率：

（13）

与NOX分析仪的检查结果一致。标准气体中NO2占NO的比例为1.71%，NOX转换效率为98.68%，满足排放法规要求。

3.结论

通过设定未知数，可在分析仪4种工作模式下列出4个方程，经简化计算可求得NOX转换器转换效率的计算公式，验证了转换效率公式的正确性。

随着低排放和超低排放车辆的出现，稀释空气中的NOX对分析仪的分析结果有较大影响，为了使NOX分析仪的检测数据更准确，可应用稀释空气精致系统。稀释空气精致系统可将稀释空气中的NOX用NOX吸收装置吸收，从而大大降低了稀释空气中的NOX对分析仪的影响，使分析仪检测结果更准确可靠。

4.参考文献：

[1] 国家标准化工作委员会. GB18352.3-2005 中国标准书号[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005

[2] 牟建勇. 空气净化装置DAR在轻型车排放测量中的应用[J]. 车辆与动力技术, 2012(2): 48-50

[3] P.J.,Bishop,G.A.,and Stedmon,D.H. A method for commercial aircraft NOX emission measurements. [G]. Environmental Science and Technology, 2008:1542-1544.